Przez długi czas naukowcy sądzili, że czarne dziury są obiektami absolutnie „czarnymi” – pochłaniają wszystko, co znajdzie się w ich pobliżu, i nic z nich nie może się wydostać. Wydawało się więc, że czarna dziura raz powstała będzie istnieć wiecznie. To przekonanie zmieniło się dopiero w latach 70. XX wieku dzięki pracy brytyjskiego fizyka Stephena Hawkinga.
W 1974 roku Hawking wykazał, że z punktu widzenia mechaniki kwantowej czarne dziury nie są całkowicie biernymi obiektami. Wręcz przeciwnie – mogą one emitować bardzo słabe promieniowanie, które dziś nazywa się promieniowaniem Hawkinga. Oznacza to, że czarna dziura powoli traci energię, a wraz z nią także część swojej masy.
Co dzieje się podczas powstawania czarnej dziury?
Gdy masywna gwiazda zapada się pod wpływem własnej grawitacji, jej powierzchnia zbliża się do tzw. promienia grawitacyjnego, czyli granicy, przy której powstaje horyzont zdarzeń. Z punktu widzenia odległego obserwatora wszystkie procesy zachodzące na powierzchni zapadającej się gwiazdy wydają się coraz wolniejsze. Wynika to z efektu przewidzianego przez ogólną teorię względności – czas w bardzo silnym polu grawitacyjnym płynie wolniej.
Przez wiele lat sądzono, że w chwili powstania czarnej dziury procesy fizyczne na jej powierzchni niejako „zamarzają”, a pole grawitacyjne staje się całkowicie stabilne. Gdyby tak było, czarna dziura nie mogłaby emitować żadnych cząstek.
Hawking pokazał jednak, że taki sposób myślenia jest niepoprawny. Nawet po utworzeniu czarnej dziury zjawiska kwantowe sprawiają, że w jej otoczeniu wciąż powstają cząstki.
Wirtualne cząstki i próżnia kwantowa
Klucz do zrozumienia promieniowania Hawkinga tkwi w tym, jak współczesna fizyka opisuje próżnię. Wbrew intuicji próżnia wcale nie jest całkowicie pusta. Zgodnie z mechaniką kwantową nieustannie pojawiają się w niej na bardzo krótki czas pary cząstek i antycząstek. Są to tzw. cząstki wirtualne.
Zazwyczaj takie pary powstają i niemal natychmiast się anihilują – cząstka spotyka swoją antycząstkę i obie znikają, zanim zdążymy je zaobserwować.
W pobliżu czarnej dziury sytuacja może jednak wyglądać inaczej. Jeśli para cząstek powstanie tuż przy horyzoncie zdarzeń, może się zdarzyć, że jedna z nich zostanie pochłonięta przez czarną dziurę, a druga ucieknie w przestrzeń kosmiczną. Ta uciekająca cząstka staje się rzeczywistą cząstką, którą w zasadzie można by wykryć jako promieniowanie.
Ponieważ energia tej cząstki pochodzi z pola grawitacyjnego czarnej dziury, oznacza to, że czarna dziura traci niewielką część swojej energii, a więc także masy.
Czy czarne dziury naprawdę „parują”?
Proces opisany przez Hawkinga można porównać do bardzo powolnego parowania. Czarne dziury stopniowo oddają energię w postaci promieniowania i z czasem stają się coraz mniejsze.
Jednak w praktyce większość znanych czarnych dziur nie kurczy się zauważalnie. Dzieje się tak dlatego, że w kosmosie wciąż dociera do nich materia: cząstki gazu międzygwiazdowego, pył kosmiczny czy fotony promieniowania tła. Energia, którą czarna dziura pochłania z otoczenia, jest zwykle większa niż ta, którą traci poprzez promieniowanie Hawkinga.
Co ciekawe, temperatura promieniowania zależy od masy czarnej dziury. Im większa czarna dziura, tym niższa jest jej temperatura, a więc także słabsze emitowane promieniowanie. W przypadku ogromnych czarnych dziur znajdujących się w centrach galaktyk promieniowanie Hawkinga jest praktycznie niemożliwe do wykrycia.
Los czarnej dziury w bardzo odległej przyszłości
Gdyby czarna dziura znajdowała się w zupełnie pustej przestrzeni i nie pochłaniała żadnej materii, jej masa powoli malałaby z powodu promieniowania Hawkinga. Proces ten trwa jednak niezwykle długo. Dla czarnych dziur powstałych z gwiazd czas całkowitego „wyparowania” może wynosić biliony razy więcej niż obecny wiek Wszechświata.
Pod koniec tego procesu czarna dziura stawałaby się coraz mniejsza, a emitowane promieniowanie coraz silniejsze. Teoretycznie mogłoby to zakończyć się krótkim, intensywnym błyskiem energii.
Nierozwiązane zagadki
Choć koncepcja promieniowania Hawkinga jest dziś jednym z najważniejszych osiągnięć współczesnej fizyki teoretycznej, wciąż pozostaje wiele pytań bez odpowiedzi. Jednym z nich jest tzw. paradoks informacji – problem związany z tym, czy informacje o materii, która wpadła do czarnej dziury, mogą zostać całkowicie utracone.
Nie jest również pewne, co dzieje się w ostatnim etapie życia czarnej dziury. Niektóre teorie sugerują, że może ona całkowicie zniknąć, podczas gdy inne przewidują, że pozostaje po niej maleńka pozostałość o masie zbliżonej do tzw. masy Plancka.
Niezależnie od ostatecznej odpowiedzi jedno jest pewne: odkrycie Stephena Hawkinga pokazało, że czarne dziury nie są jedynie „kosmicznymi pułapkami”, lecz obiektami, które łączą w sobie prawa grawitacji, mechaniki kwantowej i kosmologii. Dzięki temu stały się jednym z najważniejszych laboratoriów do badania fundamentalnych praw rządzących Wszechświatem.